Schwarze Löcher stoßen Materie offenbar nach einer universellen Regel aus, unabhängig von ihrer Masse. Eine neue Studie, veröffentlicht in Nature Astronomy, hat ergeben, dass sowohl supermassereiche Schwarze Löcher als auch solche mit Sternmasse bei etwa zwei Prozent der Eddington-Akkretionsrate eine Phase beginnen, in der sie kompakte Materiestrahlen ins All schleudern. Die Arbeit stammt von Adelle Goodwin vom International Centre for Radio Astronomy Research an der Curtin University in Australien und Andrew Mummery vom Institute for Advanced Study in Princeton, USA.
Die Forscher untersuchten sogenannte Gezeitenzerstörungsereignisse. Dabei kommt eine Stern zu nah an ein supermassereiches Schwarzes Loch und wird von dessen gewaltigen Gezeitenkräften auseinandergerissen. Ein Teil der Trümmer bleibt gravitativ gebunden und bildet einen Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch. Dort kreist die Materie, erhitzt sich und sendet Strahlung aus. Ein Teil des Materials fällt schließlich über den Ereignishorizont, während ein anderer Teil als Winde oder Jets in den Weltraum entweichen kann.
Wenn diese Materieströme auf umgebendes Gas treffen, entstehen Stoßwellen, die Teilchen beschleunigen und Radiowellen erzeugen. Indem die Forscher verfolgten, wie sich diese Radiostrahlung im Laufe der Zeit verändert, konnten sie rekonstruieren, wann die Materie ausgestoßen wurde. Für ihre Analyse untersuchten Goodwin und Mummery zwanzig Gezeitenzerstörungsereignisse mit Beobachtungen von Radiowellen über sichtbares Licht und Ultraviolett bis hin zu Röntgenstrahlen. Elf davon boten genügend vollständige Daten für die Auswertung.
Die Analyse offenbarte zwei getrennte Phasen, in denen supermassereiche Schwarze Löcher Materie ausstoßen können. Die erste tritt in der Frühphase des Ereignisses auf, wenn die Akkretionsrate extrem hoch ist und die Eddington-Grenze überschreiten kann. Unter diesen Bedingungen kann die Scheibe starke Winde erzeugen, die einen Teil des Materials nach außen tragen. Die zweite Phase setzt deutlich später ein, wenn das Schwarze Loch bereits viel weniger Materie aufnimmt.
Genau hier liegt das bemerkenswerteste Ergebnis: Die späten Materieauswürfe werden ausgelöst, wenn die Akkretionsrate auf etwa zwei Prozent der Eddington-Rate sinkt. Diese Schwelle ist keineswegs zufällig. Sie stimmt mit derjenigen überein, die bereits bei Schwarzen Löchern mit Sternmasse beobachtet wurde. Diese entstehen aus dem Kollaps massereicher Sterne und haben typischerweise die wenigen bis einigen Dutzendfachen der Sonnenmasse. In solchen Systemen markiert das Erreichen derselben Schwelle den Übergang zu einem anderen Akkretionszustand, der mit der Bildung eines kompakten, beständigen Radiojets verbunden ist.
Die neue Studie legt nahe, dass ein ähnlicher Übergang auch bei supermassereichen Schwarzen Löchern nach einem Gezeitenzerstörungsereignis stattfindet. Anders als die Winde in der Frühphase wären die späten Ströme mit der Entstehung kompakter Jets verknüpft. Unterstützt wird diese Deutung durch die Radiobeobachtungen: Während die Strahlung der frühen Auswürfe allmählich zunimmt, wächst die der späten Ströme deutlich schneller – vereinbar mit einem Jet, der weiterhin Energie von der Akkretionsscheibe erhält.
Auch Röntgenbeobachtungen liefern Hinweise. Bei einigen Gezeitenzerstörungsereignissen wurde eine späte Emission hochenergetischer Röntgenstrahlung nachgewiesen, die auf eine Korona hindeutet – eine Region aus sehr heißem Plasma in der Nähe des Schwarzen Lochs. Ihr Auftreten, teils zeitgleich mit der neuen Phase der Radioaktivität, könnte auf eine Änderung des Akkretionszustands hinweisen, die mit der Bildung später Jets einhergeht.
Die Ergebnisse könnten die Vorhersage künftiger Ausbrüche verbessern. Bislang war unklar, warum manche Schwarze Löcher Monate oder sogar Jahre nach einem Gezeitenzerstörungsereignis erneut Radiostrahlung aussenden. Die nun identifizierte universelle Schwelle bietet einen Erklärungsansatz, der unabhängig von der Masse des Schwarzen Lochs gilt. Weitere Beobachtungen werden zeigen, ob sich die Regel bestätigt und ob sie auch auf andere Akkretionssysteme anwendbar ist.